Een redundant modulair netwerk ondersteunt een goede hersencommunicatie

hersenen

Roep een telefoonnummer op, of de zojuist opgezegde routebeschrijving, en je hersenen zullen actief communiceren in vele regio's. Er wordt gedacht dat het werkgeheugen afhankelijk is van interacties tussen deze regio's, maar hoe deze hersengebieden op elkaar inwerken en het geheugen correct vertegenwoordigen, is een mysterie gebleven.

Aan het Baylor College of Medicine onderzochten Dr. Nuo Li, assistent-professor neurowetenschappen en een McNair Scholar, en zijn collega's de aard van de communicatie tussen hersenregio's die betrokken zijn bij het werkgeheugen en vonden bewijs dat een modulaire netwerkorganisatie van cruciaal belang is voor aanhoudende neurale activiteit .

Hoe hersengebieden communiceren

Li en zijn collega's konden zien dat elke hersenhelft een afzonderlijke weergave van een herinnering heeft. De hemisferen zijn echter van moment tot moment nauw gecoördineerd, wat resulteert in zeer coherente informatie over hen tijdens het werkgeheugen.

In hun onderzoek lieten de onderzoekers muizen een eenvoudig gedrag zien waarvoor ze specifieke informatie moesten opslaan. Ze werden getraind om een ​​opgedragen actie een paar seconden uit te stellen. Deze vertraging gaf onderzoekers de kans om te kijken naar hersenactiviteit tijdens het geheugenproces.

"We zagen veel neuronen tegelijkertijd op een gecoördineerde manier vuren vanuit beide hemisferen van de cortex. Als de activiteit in de ene regio toenam, volgde de andere regio op de voet. We veronderstelden dat de interacties tussen hersenhelften verantwoordelijk waren voor deze herinnering, "zei Li.

Li en zijn collega's registreerden activiteit op elk halfrond, wat aantoont dat elk zijn eigen kopie van informatie maakte tijdens het geheugenproces. Dus hoe communiceren de twee hersenhelften?

Li legde uit dat ze door het gebruik van optogenetica informatie in een enkele hemisfeer konden corrumperen, waardoor duizenden neuronen werden aangetast tijdens de geheugenperiode. Wat ze vonden was onverwacht.

"Toen we het ene halfrond verstoorden, schakelde het andere gebied de communicatie uit, waardoor de corruptie zich in feite niet verspreidde en de activiteit in andere regio's beïnvloedde", zei Li. “Dit is vergelijkbaar met moderne netwerken zoals elektriciteitsnetten. Ze zijn aangesloten om de stroom van elektriciteit mogelijk te maken, maar ook om te controleren op fouten en verbindingen af ​​te sluiten wanneer dat nodig is, zodat het hele elektriciteitsnet niet uitvalt.”

In samenwerking met Dr. Shaul Druckmann en Ph.D. student Byungwoo Kang aan de Stanford University, ontwikkelden de onderzoekers theoretische analyses en netwerksimulaties van dit proces, wat aantoont dat deze modulaire organisatie in de hersenen van cruciaal belang is voor de robuustheid van aanhoudende neurale activiteit. Deze robuustheid kan ervoor zorgen dat de hersenen bepaalde verwondingen kunnen weerstaan, waardoor de cognitieve functie wordt beschermd tegen afleiding.

"Het begrijpen van redundante modulaire organisatie van de hersenen zal belangrijk zijn voor het ontwerpen van neurale modulatie- en reparatiestrategieën die compatibel zijn met de natuurlijke verwerking van informatie door de hersenen," zei Li.